Olá, entusiastas da eletrônica!
Hoje vamos mergulhar no fascinante mundo das fontes chaveadas SMPS (Switched-Mode Power Supply) com um projeto prático e poderoso: uma fonte de 13.8V capaz de entregar até 10A de corrente contínua! Este projeto utiliza o eficiente controlador PWM IR2153 e os robustos transistores MOSFET IRF840, componentes que juntos formam uma combinação imbatível em termos de custo-benefício e desempenho.
Se você é estudante, profissional da área, projetista ou hobbista em busca de uma fonte de alimentação confiável para suas aplicações, este artigo é para você! Vamos desvendar juntos cada etapa deste circuito, desde a teoria até a prática, com explicações claras e detalhadas.
🔍 O que é uma Fonte Chaveada SMPS?
Antes de mergulharmos no projeto, vamos entender o que torna as fontes chaveadas tão especiais. Diferente das fontes lineares tradicionais, que dissipam excesso de energia em forma de calor, as fontes SMPS operam com chaveamento em alta frequência, resultando em maior eficiência energética e tamanho reduzido.
Pense na fonte SMPS como um sistema inteligente que "liga e desliga" rapidamente a energia, ajustando-a para fornecer exatamente o que seu circuito precisa. Este processo de chaveamento ocorre em frequências muito elevadas (geralmente acima de 20kHz), permitindo o uso de componentes menores e mais leves.
🔧 Análise Detalhada do Circuito
Nosso projeto de fonte chaveada SMPS de 13.8V 10A pode ser dividido em 8 etapas fundamentais, cada uma desempenhando um papel crucial no funcionamento geral do circuito. Vamos explorar cada uma delas:
📊 Estrutura da Fonte Chaveada SMPS
- Circuito de Proteção
- Filtro de Transiente
- Retificação Primária
- Filtro Primário
- Estágio de Chaveamento
- Transformador de Alta Frequência
- Retificação Rápida
- Filtro de Saída
1️⃣ Circuito de Proteção
A segurança vem primeiro! Nosso circuito de proteção é composto por um Fusível de 5A/250V, que atua como guarda-costas, interrompendo o circuito caso ocorra uma sobrecorrente perigosa. Em paralelo, temos um NTC (Negative Temperature Coefficient), um termistor especial que limita a corrente de surto inicial.
Pense no NTC como um "semáforo inteligente" para a eletricidade: quando o circuito é ligado, ele oferece alta resistência, limitando a corrente inicial. À medida que aquece, sua resistência diminui, permitindo que o fluxo normal de corrente ocorra. Esta topologia é encontrada na maioria das fontes SMPS modernas, como as de notebooks e computadores.
2️⃣ Filtro de Transiente
Esta etapa funciona como um "guarda de trânsito" para a eletricidade, impedindo que ruídos de alta frequência viajem entre nosso circuito e a rede elétrica. É composta por um filtro capacitivo inicial (C1, C2) que inibe as altas frequências de retornarem para a rede, e uma bobina filtro de EMI (Interferência Eletromagnética), que atenua os ruídos gerados pelo chaveamento.
3️⃣ Retificação Primária
Aqui, a corrente alternada da rede elétrica (110V ou 220V) é convertida em corrente contínua pulsante através da ponte retificadora D1. É como se transformássemos o fluxo bidirecional da eletricidade em um fluxo unidirecional, preparando-o para as próximas etapas.
4️⃣ Filtro Primário
Os capacitores C3 e C4 atuam como reservatórios de energia, suavizando a ondulação da corrente contínua pulsante e fornecendo uma tensão mais estável para o estágio de chaveamento. Pense neles como pequenos "lagos de energia" que garantem um fluxo constante.
5️⃣ Estágio de Chaveamento
Esta é a "mágica" da fonte chaveada! O coração deste estágio é o CI IR2153, um controlador PWM (Modulação por Largura de Pulso) que gera sinais de alta frequência para controlar os transistores MOSFET Q1 e Q2 (IRF840). Estes transistores funcionam como chaves ultra-rápidas, ligando e desligando em alta frequência para "fatiar" a tensão contínua em pulsos de alta frequência.
O IR2153 é particularmente interessante por já incorporar um driver para MOSFETs em seu encapsulamento de apenas 8 pinos, simplificando significativamente o projeto e reduzindo a contagem de componentes.
6️⃣ Transformador de Alta Frequência
Diferente dos transformadores convencionais que operam em 60Hz, nosso Trafo Chopper opera em alta frequência, permitindo um tamanho drasticamente reduzido com a mesma capacidade de potência. Ele é responsável por duas funções cruciais: isolar galvanicamente o circuito de saída da rede elétrica (essencial para segurança!) e transformar a alta tensão do primário para a baixa tensão necessária no secundário.
7️⃣ Retificação Rápida
No secundário do transformador, precisamos converter os pulsos de alta frequência de volta em corrente contínua. Para isso, utilizamos o diodo rápido D3 (MBR3045PT), que é capaz de operar eficientemente nas altas frequências geradas pelo nosso circuito. Diodos comuns não seriam adequados aqui devido ao seu tempo de recuperação lento.
8️⃣ Filtro de Saída
Finalmente, o indutor L2 e o capacitor C9 formam um filtro LC que suaviza a ondulação residual, fornecendo uma tensão de saída limpa e estável de 13.8V. É a última barreira entre os pulsos retificados e a energia perfeitamente utilizável que alimentará seus projetos.
⚠️ ATENÇÃO! ⚠️
Este circuito opera conectado diretamente à rede elétrica, o que representa risco de choque elétrico grave ou fatal. Qualquer descuido, ligação incorreta ou erro no projeto pode levar a danos irreversíveis ao equipamento ou até mesmo acidentes pessoais.
Não nos responsabilizamos por qualquer tipo de ocorrência. Se você não possui experiência suficiente com circuitos conectados à rede elétrica, não monte este circuito. Se decidir montá-lo, utilize todas as proteções adequadas e, se possível, realize os testes acompanhado por outra pessoa.
⚡ O Controlador PWM IR2153 em Detalhes
O IR2153 é o cérebro de nossa fonte chaveada. Este circuito integrado da International Rectifier (agora parte da Infineon) é projetado especificamente para aplicações de meia-ponte em fontes chaveadas, combinando um oscilador com drivers para MOSFETs em um único pacote.
A alimentação do CI é feita através do resistor de potência R3 (27K 5W) em conjunto com o capacitor C5. Internamente, o IR2153 já possui um diodo Zener de 15.6V para regular sua alimentação, mas a corrente disponível é limitada. Por isso, é crucial não utilizar um resistor R3 com valor menor que o especificado, pois isso poderia sobrecarregar e danificar o CI.
Uma melhoria interessante seria adicionar um diodo Zener externo de 15V em paralelo com a alimentação do CI, proporcionando uma proteção adicional e maior estabilidade.
Vale destacar uma diferença importante entre o IR2153 e o IR2153D: o modelo "D" já incorpora internamente o diodo D2 (FR107 ou BA159) necessário para o funcionamento adequado do circuito. Se estiver utilizando o IR2153D, você pode omitir este componente. Se for o IR2153 (sem o "D"), mantenha o diodo D2 conforme o esquema.
🔌 Diagrama Esquemático Completo
Agora que entendemos cada parte do circuito, vamos examinar o diagrama esquemático completo na Figura 2. Este é o momento em que todas as peças do quebra-cabeça se encaixam, formando um sistema coeso e funcional.
🔧 O Transformador: Coração da Fonte Chaveada
O transformador TR1 é um componente crítico em nossa fonte. Para este projeto, utilizamos um transformador modelo IE-35A recuperado de uma fonte ATX de sucata. A boa notícia é que praticamente qualquer transformador de fonte ATX pode ser utilizado, desde que sigamos a pinagem correta.
Uma das grandes vantagens deste projeto é que não há necessidade de rebobinar o transformador! Basta identificar corretamente os terminais e conectá-los conforme mostrado na Figura 3 abaixo. Esta abordagem economiza tempo e elimina uma das etapas mais complexas da construção de fontes chaveadas.
Além do modelo EI-35A, outros transformadores de fontes AT ou ATX podem ser utilizados, como os modelos EI-33, ER35, TM3341101QC, ERL35, EI28, entre outros. A Figura 4 mostra um exemplo do transformador EI-35A que utilizamos:
Quanto aos indutores L1 e L2, ambos podem ser aproveitados da fonte ATX original. O indutor L1 é o filtro de EMI de entrada, enquanto o L2 é o filtro de saída. Caso prefira construir seu próprio filtro, você pode enrolar um indutor em um núcleo toroidal de ferrite utilizando fio de cobre esmaltado de 0,6 mm com aproximadamente 25 voltas.
📝 Lista Completa de Componentes
Para facilitar sua montagem, compilamos uma lista detalhada de todos os componentes necessários para este projeto:
| Componente | Especificação | Observações |
|---|---|---|
| CI1 | Circuito Integrado IR2153D ou IR2153 | Ver texto para diferenças |
| Q1, Q2 | Transistores MOSFETs IRF840 | Podem ser substituídos por equivalentes |
| R1, R2 | Resistor 150k | (marrom, verde, amarelo, ouro) |
| R3 | Resistor 27K 5W | (vermelho, violeta, laranja, ouro) |
| R4 | Resistor 8K2 | (cinza, vermelho, vermelho, ouro) |
| R5, R6 | Resistor 10Ω | (marrom, preto, preto, ouro) |
| D1 | Ponte de Diodos KBU606 | Ou equivalente |
| D2 | Diodo Rápido FR107 ou BA159 | Não necessário com IR2153D |
| D3 | Diodos Rápido MBR3045PT | Ou equivalente |
| C1, C2 | Capacitor Poliéster 470nF - 400Vac | Classe X2 |
| C3, C4 | Capacitor eletrolítico 330uF - 200V | Baixa ESR recomendado |
| C5, C7 | Capacitor eletrolítico 100uF - 25V | Baixa ESR recomendado |
| C6 | Capacitor Poliéster 680pF | Poliestireno recomendado |
| C8 | Capacitor Poliéster 2,2uF - 400V | Polipropileno recomendado |
| C9 | Capacitor eletrolítico 2200uF - 25V | Baixa ESR recomendado |
| RV1 | Trimpot 47kΩ | Para ajuste de tensão |
| NTC1 | Thermistor 5Ω | Limitador de corrente de surto |
| L1, L2 | Indutores | Ver texto |
| TR1 | Transformador | Ver texto |
| F1 | Fusível soldável 5A | Proteção contra sobrecorrente |
🖨️ Placa de Circuito Impresso (PCI)
Para facilitar sua montagem, disponibilizamos os arquivos da PCI (Placa de Circuito Impresso) em diferentes formatos, cobrindo todas as suas necessidades, seja para uma montagem caseira ou para envio a uma fabricação profissional.
Os arquivos estão disponíveis nos formatos GERBER (para fabricação profissional), PDF (para visualização e impressão) e PNG (para referência visual). E o melhor de tudo: estão disponíveis para download gratuito diretamente do servidor MEGA, através de um link direto, sem qualquer complicação ou redirecionamento!
📥 Download dos Arquivos
Para baixar os arquivos necessários para a montagem do circuito eletrônico, basta clicar no link direto disponibilizado abaixo:
Link para Baixar: Baixar Arquivos (Layout PCB, PDF, GERBER, JPG)
🤔 Dúvidas Frequentes (FAQ)
Para garantir que seu projeto seja um sucesso, compilamos algumas das perguntas mais comuns sobre este tema. Confira!
Posso usar outros modelos de MOSFETs além do IRF840? 🔽
Sim, você pode utilizar outros MOSFETs equivalentes ao IRF840, desde que atendam às especificações mínimas de tensão (mínimo 500V), corrente (mínimo 8A) e tenham baixa resistência de condução (Rds(on)). Alguns modelos que podem ser usados como substitutos incluem IRF740, IRF830, STP8NM50, entre outros. Verifique sempre o datasheet para garantir compatibilidade.
Como ajustar a tensão de saída para valores diferentes de 13.8V? 🔽
A tensão de saída pode ser ajustada através do trimpot RV1. Gire-o cuidadosamente com um pequeno chave de fenda enquanto monitora a tensão de saída com um multímetro. O circuito permite ajuste aproximadamente entre 11V e 15V. Lembre-se que alterar a tensão de saída também afetará a corrente máxima disponível, mantendo a potência total máxima em aproximadamente 140W.
É possível modificar este circuito para fornecer mais de 10A? 🔽
Sim, é possível modificar o circuito para fornecer mais corrente, mas isso exigirá várias alterações importantes: MOSFETs com maior capacidade de corrente, transformador com fio mais grosso no secundário, diodos de saída com maior capacidade de corrente, e capacitores de filtro de saída com maior capacitância. Além disso, o dissipador de calor dos MOSFETs precisará ser redimensionado. Essas modificações devem ser feitas com cuidado e conhecimento técnico avançado.
Este circuito possui proteção contra curto-circuito? 🔽
O circuito básico apresentado não possui proteção eletrônica contra curto-circuito, apenas o fusível F1 como proteção contra sobrecorrente grave. Para adicionar proteção contra curto-circuito, seria necessário implementar um circuito de monitoramento de corrente que desligue o controlador PWM quando detectar uma sobrecorrente. Esta é uma modificação recomendada para aplicações mais críticas.
Qual a frequência de operação deste circuito? 🔽
💡 Ideias para o seu Próximo Projeto
Gostou deste projeto? Então você vai adorar explorar outros circuitos que preparamos. Cada um com suas particularidades e aplicações ideais!
🎓 Conclusão e Próximos Passos
Construir sua própria fonte chaveada SMPS é um projeto desafiador, mas extremamente recompensador. Além de economizar dinheiro, você ganha conhecimento profundo sobre o funcionamento de fontes de alimentação modernas, essenciais em praticamente todos os equipamentos eletrônicos que usamos diariamente.
Esperamos que este guia detalhado tenha sido útil para sua jornada na eletrônica. Lembre-se sempre de priorizar a segurança ao trabalhar com circuitos conectados à rede elétrica e não hesite em buscar ajuda se tiver dúvidas.
👋 E por hoje é só, espero que tenhamos alcançado suas expectativas!
Agradecemos por visitar o nosso blog e esperamos tê-lo(a) novamente por aqui em breve. Não deixe de conferir nossos outros conteúdos sobre tecnologia e assuntos variados.
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Forte abraço!
Deus vos Abençoe!
Shalom.
2 comentários:
Saludo estimado Amigo Gracias por losa aportes muy interesantes e importantes .... tengo una ATX de las Pc Pentium 1 antiguas que tenian un Display conectado al Conector de volatje del Disco Duro Siempra marca un 13 .... me gustaria saber si ese mismo display lo podria REUSAR paqra medir Voltaje Dc y como podria hacerlo ya que deseo esa misma ATX hacer una fuente para taller se le saluda desde San ristóbal Tachira Venezuela
Boa noite . Posso usar essa fonte em 110v ou tem que fazer modificacoes ?
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